LT3741 als Konstantstromquelle für einen Diodenlaser

[Alexander I. (a7ri6o)]

Hallo zusammen,

ich möchte mir eine Konstantstromquelle zum Betrieb einer 
Hochleistungs-Laserdiode bauen. Es geht um zwei Dioden, die Parameter 
sind 2v@5A und 2V@20A (ungefähr). Es wäre praktisch wenn sich beide 
Dioden mit einer jeweils identischen Platine ansteuern lassen könnten, 
maximal sollten nur ein paar Kondensatoren/Induktivitäten o.Ä. 
ausgetauscht werden.

Da Konstantstromquellen ja bekanntlich etwas höhere Anforderungen als 
Konstantspannungsquellen haben, würde ich gerne auf einen fertigen IC 
ausweichen. Dazu habe ich den LT3741 von Linear Technologies ausgesucht.

Falls jemand andere Vorschläge hat, nehme ich gerne alle Tipps entgegen.

Ich baue als Schaltung das Beispiel aus dem Datasheet/dem Evalboard auf:

http://cds.linear.com/docs/en/demo-board-schematic/1602asch.pdf

Nun zu meinen Fragen:

1) Der Ripplestrom ist ja durch die Wahl eines passenden Induktors 
grundsätzlich beliebig klein zu kriegen. Hat jemand Erfahrungen wie viel 
bei der Ansteuerung einer Diode wirklich nötig ist? Nicht dass die 
Intensität nachher mit der Schaltfrequenz des Reglers moduliert ist, 
oder macht das bei den paar mApp ripple aufgrund einer Trägheit der 
Diode o.Ä. nichts aus?

2) Als MOSFET wird der RJK0330DPB von Renesas 
(http://documentation.renesas.com/doc/products/transistor/r07ds0266ej0500_rjk0330dpb.pdf) 
vorgeschlagen. Es ist jedoch sehr schwierig den zu bekommen, daher hätte 
ich gerne was von TI o.Ä.. Im Datenblatt sieht man eine Diode, die 
zwischen Drain und Source geschaltet ist. Ist die für diese Anwendung 
redundant oder brauche ich zwingend einen mosfet mit so einer 
integrierten Diode?
Wenn man auf dem Schaltplan genau hinschaut, sieht man dass bei den 
Mosfets jeweils zwei Namen stehen, auf dem Board Layout sind auch 
jeweils zwei Mosfets für High Side und Low Side parallel verbaut. Kann 
ich hier auch nur einen (besseren) Mosfet pro Side verwenden, oder wird 
die abgegebene Leistung zu hoch ?
Ich habe als Ersatz mal den CSD16570Q5B von TI 
(http://www.ti.com/lit/ds/symlink/csd16570q5b.pdf) ausgesucht, musste 
jedoch merken dass die Auswahl von Mosfets nicht so einfach ist. Liege 
ich mit der Auswahl richtig? (Vorausgesetzt ich bekomme ihn von Hand 
gelötet) Oder gibt es hier bessere Alternativen?

3) Über eine Spannung zwischen 0 und 1.5V am CTRl1 Pin kann die 
Strombegrenzung eingestellt werden. Eine LTSpice-Simulation hat ergeben, 
dass bei den gewünschten 20A mit einem Sense-Resistor von 2mOhm eine 
kleine Spannungsänderung eine relativ große Stromänderung bewirkt. 
Reicht zum Generieren der Spannung ein einfacher Analog/PWM Ausgang 
eines Microcontrollers (STM32/dsPic33) aus oder brauche ich hierfür 
einen dedizierten DAC, um die Genauigkeit der Stromregulierung des Chips 
voll ausnutzen zu können?

Feedback für die Laserdiode wird mithilfe eines Microcontrollers 
realisiert, hierfür braucht die Schaltung als keine weiteren 
Komponenten. Hinsichtlich ESD-Schutz habe ich schnell mal nachgelesen 
dass sich der Einsatz einer Schutz-Diode/TVS(Transient Voltage 
Suppressor) über der Laseriode anbietet, aber dafür möchte ich mich noch 
etwas in die Materie einlesen.

Bis hierhin schonmal vielen Dank und viele Grüße

Alex

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> Alexander I. schrieb:
> Konstantstromquelle zum Betrieb einer Hochleistungs-Laserdiode
> 2V@5A und 2V@20A (ungefähr).
Das ist schon ganz sportlich.

> Dazu habe ich den LT3741 von Linear Technologies ausgesucht.
> Ich baue als Schaltung das Beispiel aus dem Datasheet/dem Evalboard auf:
> http://cds.linear.com/docs/en/demo-board-schematic/1602asch.pdf
Mit diesem Chip habe ich leider keine Erfahrungen.
Ich bin nicht sicher, dass dieses Konzept als Laserdiodentreiber 
wirklich gut ist. Laserdioden können durch unkontrolierte Stromspitzen 
sauschnell verbrennen.Du mußt also gewährleisten, dass der Strom nicht 
überschwingt und sauber zu regeln geht.

> Nun zu meinen Fragen:
> 1) Der Ripplestrom ist ja durch die Wahl eines passenden Induktors
> grundsätzlich beliebig klein zu kriegen. Hat jemand Erfahrungen wie viel
> bei der Ansteuerung einer Diode wirklich nötig ist? Nicht dass die
> Intensität nachher mit der Schaltfrequenz des Reglers moduliert ist,
> oder macht das bei den paar mApp ripple aufgrund einer Trägheit der
> Diode o.Ä. nichts aus?
Da die Kennlinie von Laserdioden exponentiel verläuft, kann dass schon 
merkliche Efekte bringen, wenn der Strom moduliert.
Träge sind Laserdioden allerdings nicht, eher sauschnell. Die kannst du 
auch noch im Bereich von MHz und höher betreiben.

> 2) Als MOSFET wird der RJK0330DPB von Renesas
> 
(http://documentation.renesas.com/doc/products/transistor/r07ds0266ej0500_rjk0330dpb.pdf)
> vorgeschlagen. Es ist jedoch sehr schwierig den zu bekommen, daher hätte
> ich gerne was von TI o.Ä..
Suche dir einen FET mit passenden Parametern z.B. hier:
http://www.irf.com/product/Power-MOSFETs-12V-500V-N-Channel-Power-MOSFET-12V-30V-N-Channel-Power-MOSFET-20V-30V-N-Channel-StrongIRFET/_/N~1njpma

> Im Datenblatt sieht man eine Diode, die
> zwischen Drain und Source geschaltet ist. Ist die für diese Anwendung
> redundant oder brauche ich zwingend einen mosfet mit so einer
> integrierten Diode?
Ich meine, diese Junktion-Diode ist bei solchen Power-FET fast immer 
drin.

> Kann ich hier auch nur einen (besseren) Mosfet pro Side verwenden,
Das sollte allemal gehen, wenn der FET sehr niedrigen Kanalwiderstand 
hat und die Umschaltverluste nicht zu hoch werden.

> Ich habe als Ersatz mal den CSD16570Q5B von TI
> (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/csd16570q5b.pdf) ausgesucht, musste
> jedoch merken dass die Auswahl von Mosfets nicht so einfach ist. Liege
> ich mit der Auswahl richtig? (Vorausgesetzt ich bekomme ihn von Hand
> gelötet) Oder gibt es hier bessere Alternativen?
Von den Leistungsparametern ist der gut. Die Gatekapazität ist aber 
höher.
Da kommt es jetzt auf die Schaltfrequenz und die Treiberfähigkeit der 
Gatetreiber an.

> 3) Über eine Spannung zwischen 0 und 1.5V am CTRl1 Pin kann die
> Strombegrenzung eingestellt werden. Eine LTSpice-Simulation hat ergeben,
> dass bei den gewünschten 20A mit einem Sense-Resistor von 2mOhm eine
> kleine Spannungsänderung eine relativ große Stromänderung bewirkt.
??? Wie jetzt? An den 2mOhm fallen bei 20A eh nur ca. 40mV ab.

> Reicht zum Generieren der Spannung ein einfacher Analog/PWM Ausgang
> eines Microcontrollers (STM32/dsPic33) aus oder brauche ich hierfür
> einen dedizierten DAC, um die Genauigkeit der Stromregulierung des Chips
> voll ausnutzen zu können?
Wer soll wissen, ob du diese Genauigkeit brauchst?
Wenn die exakte Laserleistung nicht primär wichtig ist, dann reichen 
auch 8 Bit Auflösung. PWM muss natürlich gute geglättet werden.

> Hinsichtlich ESD-Schutz habe ich schnell mal nachgelesen
> dass sich der Einsatz einer Schutz-Diode/TVS(Transient Voltage
> Suppressor) über der Laseriode anbietet, aber dafür möchte ich mich noch
> etwas in die Materie einlesen.
Ich meine, dass das nichts bringt.
In Flussrichtung muß der Laserstrom sauber ausgeregelt werden.
Negative Spannung ist normal kaum möglich.

Überspannungsschutz sollte aber am Eingang von Schaltungen vorgenommen 
werden, damit z.B. transiente Spannungen nicht den Regler zerschiessen.
-> siehe Datasheet - Maximum Ratings.
Gruß Öletronika

[Pandur S. (jetztnicht)]

Ich empfehl diese Laserdioden im Zehnerpack zu bestellen. Die kann man 
dann auswechseln bis man nichts mehr sieht.

[Pandur S. (jetztnicht)]

Kauft einen fertigen Controller, zB einen
http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=4053

[Alexander I. (a7ri6o)]

Erstmal vielen Dank für eure Antworten!

@jetztnicht:

Ein fertiges System ist natürlich Spitze und bringt am wenigsten Ärger. 
Da der Treiber jedoch in eine spezielle Hardwareumgebung eingebettet und 
stark angepasst werden muss, fällt diese Option leider weg.

@oeletronika:

Vielen Dank für deine ausführliche und kompetente Antwort!

U. M. schrieb:
> Mit diesem Chip habe ich leider keine Erfahrungen.
> Ich bin nicht sicher, dass dieses Konzept als Laserdiodentreiber
> wirklich gut ist. Laserdioden können durch unkontrolierte Stromspitzen
> sauschnell verbrennen.Du mußt also gewährleisten, dass der Strom nicht
> überschwingt und sauber zu regeln geht.

Ich habe mal den Output einer SPICE-Simulation angehängt. Das Ergebnis 
hat mich sehr zuversichtlich gestimmt, das kann natürlich aber auch naiv 
sein und muss auf der fertigen Platine nicht genauso aussehen.

U. M. schrieb:
> Da die Kennlinie von Laserdioden exponentiel verläuft, kann dass schon
> merkliche Efekte bringen, wenn der Strom moduliert.
> Träge sind Laserdioden allerdings nicht, eher sauschnell. Die kannst du
> auch noch im Bereich von MHz und höher betreiben.

Also gilt es den Ripplestrom so gering wie möglich zu halten! In den 
Beispielschaltungen werden für diese Stromstärken durchweg nur 1-1.2uH 
Spulen verwendet. Hat dies praktische Gründe?

z.B. von Würth Elektronik sind die Hochstrominduktivitäten alle gleich 
teuer, und auch 20-30uH haben erst über 25A Sättigung erreicht.

Was mir aufgefallen ist, ist dass der DC-Widerstand natürlich mit der 
Induktivität ansteigt. Gibt es hierfür eine Faustregel ein Kompromiss 
zwischen beiden Parametern zu finden?

U. M. schrieb:
> Wer soll wissen, ob du diese Genauigkeit brauchst?
> Wenn die exakte Laserleistung nicht primär wichtig ist, dann reichen
> auch 8 Bit Auflösung. PWM muss natürlich gute geglättet werden.

Falls es jemanden interessiert, ich habe mich für einen 
12Bit-I²C-Kompatiblen DAC von Microchip entschieden (MCP47FEB21), dieser 
lässt sich prima in ein vorhandenes I²C-Netz einfügen.

Viele Grüße

Alex

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> Alexander I. schrieb:
> Ich habe mal den Output einer SPICE-Simulation angehängt. Das Ergebnis
> hat mich sehr zuversichtlich gestimmt, das kann natürlich aber auch naiv
> sein und muss auf der fertigen Platine nicht genauso aussehen.
Was willst du denn konkret erreichen bzw. was soll der Laser machen?
Soll der Laser im DC-Betrieb arbeiten?
Dann muss man ja keine schnellen Einschwingvorgänge anstreben und kann 
den Strom langsam und kontrolliert hochfahren, bis die gewünschte 
Laserleistung erreicht ist. Danach ist doch nur noch die thermische 
Drift auszugleichen und die ist nicht schnell.

> Also gilt es den Ripplestrom so gering wie möglich zu halten!
Woher sollen die Leser das wissen, wenn du selbst nicht mal weißt, 
welche Stabilität und Genauigkeit benötigt wird?

>In den
> Beispielschaltungen werden für diese Stromstärken durchweg nur 1-1.2uH
> Spulen verwendet. Hat dies praktische Gründe?
Ich meine, man demonstriert immer gerne die kompakteste Lösung mit dem 
geringsten Platzbedarf.
Natürlich hängt das auch von der Schaltfrequenz ab.
Ich nutze für Schaltregler in der Regel Ringkerndrossel, die deutlich 
mehr Induktivität haben, als in den Datenblättern als Mindestwert 
empfohlen wird. Aber natürlich sind diese größer, benötigen dickeren 
draht und kosten dadurch sicher auch etwas mehr.

> z.B. von Würth Elektronik sind die Hochstrominduktivitäten alle gleich
> teuer, und auch 20-30uH haben erst über 25A Sättigung erreicht.
Beachte, das imchaltregler ja kein DC-Strom fleißt, sondern kutze 
Impulse.
> Was mir aufgefallen ist, ist dass der DC-Widerstand natürlich mit der
> Induktivität ansteigt.
Zumindest bei gleichem Drahtdurchmesser ist das ja logisch.
Dickerer Draht braucht dann aber auch mehr Platz und die Drossel muß 
größer ausfallen.
> Gibt es hierfür eine Faustregel ein Kompromiss
> zwischen beiden Parametern zu finden?
Siehe oben. Du must wissen, was dir wichtiger ist, minimaler Platzbedarf 
oder minimaler Rippel oder minimale Kosten oder bester Wirkungsgrad usw.
Gruß Öletronika